Шина IEEE 1394 — FireWire

Шина IEEE 1394 — FireWire

Архитектура узла

В плане описания работы шины наибольший интерес представляет узел. Узел имеет явно выраженную трехуровневую структуру средств FireWire, к которой обращаются драйверы прикладного и системного ПО (см. рисунок ниже):

  • физический уровень — PHY (Physical Layer) выполняет основные функции, связанные с подключением узла к шине:
  1. подключение узла к шине (механическое и электрическое);
  2. автоматическое конфигурирование шины и узла при инициализации;
  3. арбитраж при передаче данных;
  4. кодирование и декодирование сигналов состояния шины и потоков данных;
  5. предоставление сервисов канальному уровню;
  6. связь сегментов сети в единую шину, если он имеет более одного порта IEEE 1394 (трансляцию сигналов между своими портами);
  7. предоставление питания по кабельной шине.

 

 

  • Физический уровень допускает несколько вариантов физического интерфейса:
  1. кабельная шина 1394/1394a с DS-кодированием, поддерживающая скорости S100, S200 и S400 на экранированной витой паре;
  2. кросс-шина (backplane serial bus, BPSB) с DS-кодированием, поддерживающая скорости S50 и S100 при связи узлов в пределах шасси;
  3. кабельная шина 1394b с кодированием 8B10B (так называемый бета-режим), поддерживающая скорости от S100 до S1600 и разные варианты кабелей: экранированная витая пара, неэкранированная (UTP-5), пластиковое и стеклянное многомодовое оптоволокно.
  • канальный уровень LINK (Link Layer) из данных физического уровня формирует пакеты и выполняет обратные преобразования. При этом он формирует (при передаче) и проверяет (при приеме) формат пакета и контрольные поля (CRC-коды). Он обеспечивает асинхронный обмен узлов дейтаграммами (пакетами запросов, ответов и пакетами квитирования), а также передачу и прием изохронных потоков. Канальный уровень отвечает за адресацию — выявление и прием пакетов, предназначенных данному узлу:
  1. широковещательных;
  2. по адресу узла (для асинхронных транзакций);
  3. по номеру канала (для изохронных и асинхронных потоков);
  • уровень транзакций (Transaction Layer) предоставляет приложениям сервисы для асинхронных обменов с регистрам и памятью любых узлов сети, состоящей из множества шин, объединенных мостами. Операции обменов включают чтение, запись, блокированные операции (чтение-модификация-запись). Операцией записи в специальный регистр узла можно вызвать прерывание для данного узла, при этом биты данного регистра будут нести информацию о соответствующих условиях прерывания. Уровень транзакций реализует протокол запросовответов, соответствующий стандарту ISO/IEC 13213:1994 (ANSI/IEEE 1212, редакция 1994 года) архитектуры регистров управления и состояния CSR (Control and Status Register) для микрокомпьютерных шин. Это облегчает связь шины 1394 со стандартными параллельными шинами. На уровне транзакций выполняется часть действий по обработке ошибок и организации повторов передач (канальный уровень только сообщает об обнаруженных ошибках).

Драйверы прикладного и системного ПО для организации асинхронных транзакций пользуются сервисами уровня транзакций. В плане обработки ошибок уровень транзакций предоставляет только уведомления об успехе или неудаче выполнения транзакции. В последнем случае организация повторов ложится на драйвер. Для изохронных передач (и потоковых асинхронных) драйвер пользуется сервисами канального уровня, который в данном случае обеспечивает лишь передачу пакетов, прием пакетов требуемых каналов с индикацией наличия или отсутствия ошибки в данных.

Управление шиной (Bus management) затрагивает все вышеперечисленные уровни. Шина может иметь различные степени управляемости: полностью управляемая, частично управляемая (с диспетчером изохронных ресурсов, необходимым, если есть узлы с изохронным обменом) и даже неуправляемая шина.

Узел может быть вырожденным до простого кабельного сетевого концентратора — иметь только компоненты физического уровня. Его многопортовый PHY будет выполнять функции повторителя, не нуждаясь в вышестоящих уровнях.

Интерфейс IEEE 1394 реализуется аппаратно-программными средствами устройства. Аппаратная часть FireWire обычно состоит из двух специализированных микросхем — трансивера физического уровня (PHY Transceiver) и моста связи с микропроцессорной шиной (LINK Chip). Интерфейс между ними описан стандартом IEEE 1394. Микросхема LINK выполняет все функции канального уровня и часть функций уровня транзакций; остальная часть уровня транзакций выполняется программно. Микросхема PHY выполняет сигнальное кодирование-декодирование данных, распознавание адресов, функции арбитража, а также трансляцию сигналов между своими портами. Уровень PHY достаточно автономен, все «общественнополезные» функции узла он может выполнять и при отключенных вышестоящих уровнях. Физический уровень может быть (но не обязательно) гальванически развязан с канальным уровнем. В бета-режиме (1394b) гальваническая развязка (более эффективная) возможна на уровне кабельного интерфейса. Гальваническая развязка необходима для предотвращения возникновения паразитных контуров общего провода, которые могут появиться через провода защитного заземления блоков питания.

Физический и канальный уровни могут различаться в плане поддерживаемых скоростей передачи. Если многопортовый PHY поддерживает более высокие скорости, чем LINK, то он способен транслировать высокоскоростные пакеты между своими портами. Однако скорость, на которой сам узел может общаться с остальными узлами шины, определяется самым слабым звеном в данной паре PHY-LINK. В этом случае она будет ограничиваться возможностями LINK-уровня; эти возможности могут зависеть от организации узла. Для компьютера, подключаемого к 1394, поддерживаемая скорость LINK зависит от производительности шины, которой подключен адаптер, и производительности его контролера памяти. Физический уровень для различных устройств практически одинаков, различия касаются поддерживаемых скоростей передачи, а в 1394b — и используемой среды передачи (разновидностей медных и оптических кабелей). Канальный уровень существенно зависит от прикладной части устройства — микропроцессора, на котором базируется устройство, и интерфейса подключения канального уровня.

Пакеты асинхронных транзакций

Пакеты запросов и ответов асинхронных передач для различных транзакций имеют форматы. Пакет состоит из заголовка и необя зательно блока данных. Ниже перечислено назначение полей, используемых в заголовках пакетов различных типов:

  • 64-битный адрес назначения (состоящий из полей destination_ID (10-битный номер шины и 6-битный номер узла) и destination_Offset (48-битный адрес в пространстве целевого узла);
  • метка транзакции tl (Transaction Label, 6 бит), с помощью которой запросчик определяет, к какому его запросу относится полученный ответ. Если метка используется, то ответчик помещает в пакет ответа метку, полученную запросчиком (аналогично тегам на PCI-X);
  • код повтора rt (Retry Code, 2 бита), по которому определяется, является ли данный пакет первой попыткой транзакции; для повторной попытки значение поля задается в зависимости от кода квитирования, полученного от целевого устройства: rt = 00 — первая попытка, rt = 01 — Retry_x, rt = 10 — Retry_A, rt = 11 — Retry_B;
  • поле типа транзакции (субакции) tcode (4 бита), определяющий назначение пакета и его формат в соответствии с табл. 18.2;
  • поле приоритета pri (Priority, 4 бита, используется только для кросс-шины), в кабельных сетях не используется;
  • поле rcode (4 бита) содержит код результата выполнения операции;
  • поле data_length (16 бит) содержит длину блока (в байтах);
  • поле расширенного кода транзакции extended_tcode (16 бит) уточняет выполняемую операцию (используется не для всех операций);
  • проверочный код header_CRC контролирует целостность заголовка.

Блок данных data_block, следующий за заголовком, и его проверочный код data_CRC присутствуют в пакетах с tcode = 1, 7, 9, A. Блок содержит целое число квадлетов; при необходимости остаток последнего квадлета заполняется нулями. Максимальный размер блока определяется скоростью передачи.

Таблица. Типы пакетов асинхронных транзакций

tcode Транзакция (субакция)
0 Запрос записи квадлета данных (Write Request)
1 Запрос записи блока данных (Write Request)
2 Ответ записи (Write Response)
3, C, D, F Резерв
4 Запрос чтения квадлета данных (Read Request)
5 Запрос чтения блока данных (Read Request)
6 Ответ чтения квадлета данных (Read Response)
7 Ответ чтения блока данных (Read Response)
8 Начало цикла (Cycle Start)
9 Запрос блокированной транзакции (Lock Request)
A Пакет асинхронного потока (Asynchronous Streaming Packet)
B Ответ блокированной транзакции (Lock Response)
E Не стандартизован

Допустимый размер блока данных, передаваемых в одном пакете, зависит от скорости (см. следующую таблицу).

Таблица. Допустимый размер блока данных пакета

Скорость Максимальный размер для асинхронных передач, байт Максимальный размер для изохронных передач, байт
S100 512 1024
S200 1024 2048
S400 2048 4096
S800 4096 8192
S1600 4096 16384
S3200 4096 32768

 

Таблица. Коды результата выполнения

rcode Результат
0 resp_comlete, успешное выполнение запроса
1-3 резерв
4 resp_conflict_error, отвечающий агент обнаружил конфликт ресурсов (запрос можно повторить позже)
5 resp_data_error, аппаратная ошибка, данные недоступны
6 resp_type_error, недопустимое значение полей в пакете запроса
7 resp_address_error, указанные адрес недоступен
8...Fh резерв

Пакет квитирования имеет длину всего 1 байт (cм. следующий рисунок), в нем содержится 4-битный код квитирования ack_code (см. следующую таблицу), достоверность которого проверяется по его двоичному дополнению ack_parity.

 

Таблица. Коды квитирования

ack_code Имя Значение
0 Резерв Резерв
1 ack_complete Пакет успешно принят. Если это квитанция пакета запроса, то пакет ответа не предполагается
2 ack_pending Пакет запроса успешно принят, пакет ответа будет послан (для пакетов ответа не используется)
3 Резерв Резерв
4 ack_busy_x Пакет не принят из-за занятости узла (возможен успех при повторной попытке)
5 ack_busy_A Пакет не принят из-за занятости узла. Данные будут приняты при следующем повторе (фаза A), когда узел освободится
6 ack_busy_B Пакет не принят из-за занятости узла. Данные будут приняты при следующем повторе (фаза В), когда узел освободится
7-Ah Резерв Резерв
Bh ack_tardy Пакет не принят из-за неготовности узла, находящегося в состоянии standby; попытку можно повторить через некоторое время (1394a)
Ch ack_conflict_error Пакет не принят из-за конфликта ресурсов (1394a)
Dh ack_data_error Пакет не принят из-за ошибки данных (CRC или несоответствие длины пакета заявленной)
Eh ack_type_error Пакет не принят из-за недопустимого типа (неверные параметры, неподдерживаемый тип транзакции)
Fh ack_address_error Пакет не принят из-за недоступности указанного адреса (Dest_Offset) в целевом узле(1394a)

 

Обработка ошибок и механизм повторов


Успешному выполнению асинхронных транзакций может помешать ряд причин:

  • занятость целевого узла (заполнение его входных и выходных очередей);
  • заблокированность целевого узла (он находится в процессе выполнения блокированной транзакции от другого узла);
  • ошибки при передаче пакетов.

Уровень транзакций предоставляет драйверам надежные сервисы, уведомляющие драйвер об успехе или неуспехе транзакции. Однако средства IEEE 1394 (уровень транзакций) обеспечивают автоматические повторы только для случая занятости целевого узла.

 

ПОСТОВОЙ: Советую обратить внимание на бесплатный видеокурс по Windows 7. Всё по делу и ничего лишнего.

Арбитраж в гибридной шине

В гибридной шине, состоящей из бета-узлов и традиционных узлов с DS-сигнализацией, новый механизм арбитража обеспечивает совместимость устройств, правда, с применением зазоров. Гибридная шина состоит из B-облаков (одного или нескольких), между которыми находятся фрагменты с DS-сигнализацией. При этом корневой узел может оказаться как в B-облаке, так и в DS-фрагменте.

В каждом B-облаке имеется один старший пограничный узел (senior border PHY): это последний узел, передающий в облако пакет самоидентификации без кода скорости. Старший пограничный узел облака, содержащего корневой узел, называется прокси-корнем. Этот узел будет работать дежурным арбитром, пока другие узлы не играют роль «босса». Если корнем является традиционный узел, то прокси-корня нет. P-порт старшего пограничного узла (если он не является прокси-корнем) всегда является DS-портом.

Старший пограничный узел в каждом B-облаке наблюдает за традиционными зазорами арбитража, и только он имеет право посылать асинхронные маркеры. Обнаружив зазор асинхронных транзакций, он посылает асинхронные маркеры без смены фазы. Маркер со сменой фазы он посылает, обнаружив зазор сброса арбитража. В состоянии покоя шины он посылает маркеры текущей фазы.

В ответ на запрос от B-порта старший пограничный узел начинает процедуру арбитража, используя традиционный механизм зазоров. Если старший пограничный узел является прокси-корнем, то он предоставляет право передачи B-узлу. Если старший пограничный узел не является прокси-корнем, то он посылает запрос арбитража через свой p-порт. Выиграв традиционный арбитраж, он выполняет B-арбитраж, и начинается передача бета-трафика. Как только в B-облаке начинается бета-передача, в нем включается механизм BOSS-арбитража, и этот механизм будет работать до тех пор, пока не завершится субакция и в облаке не закончатся запросы для текущей фазы.

В период передачи трафика B-облака старший пограничный узел должен обеспечить видимость занятости шины для всех узлов остальной части шины. Пакеты, передаваемые в традиционном формате, пограничный узел транслирует нормальным образом (заменяя пакет префиксом данных, если пакет передается на недопустимо высокой скорости). Пакеты бета-формата пограничный узел транслировать из облака не может, вместо них он передает префикс данных до тех пор, пока к нему не придет пакет традиционного формата. Чтобы эта передача префикса закончилась, «босс» по окончании субакции и при отсутствии запросов текущей фазы должен послать пакет традиционного формата с нулевой длиной данных.

В конце передачи бета-трафика текущий «босс» не посылает никаких маркеров, а передает право управления вышестоящему узлу. Таким образом это право достигнет старшего пограничника, который начнет формирование интервала покоя шины.

В гибридной шине маркер CYCLE_START может быть только в облаке, в котором находится мастер цикла. Это облако называется старшим B-облаком (senior B cloud). Такового может и не быть, поскольку мастер циклов может оказаться и в традиционном фрагменте шины. Остальные B-облака называются младшими (junior B cloud). Поскольку маркеры по традиционному фрагменту распространяться не могут, воспроизведение маркеров начала цикла в младших облаках проблематично. PHY узлов младшего облака узнают о начале изохронного периода от своего LINK-уровня. Поскольку информации о номере фазы у узлов младшего облака нет, изохронная транзакция запрашивается сигналом (символом) ISOCH_CURRENT. Этот запрос достигает старшего пограничного узла, который выполняет немедленный арбитраж в традиционном фрагменте шины. Запросы ISOCH_EVEN/ODD в младшем облаке не фигурируют.

Пограничный узел принимает традиционные запросы арбитража (сигналом TX_REQUEST) и преобразует их в символ запроса LEGACY_REQUEST, посылаемый в свой p-порт. Остальные свои порты он блокирует посылкой в них символа DATA_NULL. Если арбитраж выигран, то узел получит символ GRANT или GRANT_ISOCH; если проигран — DATA_PREFIX или DATA_NULL.

Архитектурные регистры CSR

Шина IEEE 1394 основана на стандарте ISO/IEC13213, известном под названием «CSR-архитектура», и наследует его основные регистры и структуры данных в памяти конфигурации. Архитектурные регистры CSR занимают первые 512 байт в начальном адресном пространстве узла. Часть регистров CSR-архитектуры в IEEE 1394 не используется, их описание здесь опущено.

Регистр состояния и управления STATE (см. рисунок ниже) доступен для чтения по двум адресам — State_Clear (000h) и State_Set (004h). Некоторые биты доступны лишь для чтения (RO), другие биты допускают программный сброс (записью единиц в биты State_Clear) и аналогичную установку (через регистр State_Set). Назначение полей регистра состояния и управления:

  • unit_depended — биты, специфичные для устройства;
  • bus_depended — биты, специфичные для шины:
    -----gone — бит, устанавливаемый по любому сбросу (устройства или шины) или по команде. Запрещает устройству посылку запросов. Обнуляется программно (возможно, и удаленно) при инициализации, когда устройство становится способным отвечать на запросы;
    -----abdicate — бит, предназначенный для смены диспетчера шины. Устанавливается у узла, который должен стать диспетчером шины после грядущего сброса. При этом он не будет ждать положенных 125 мс (как «честные» кандидаты) перед тем, как сделать попытку блокированной транзакции с регистром BUS_MANAGER_ID;
    -----linkoff — состояние питания LINK-уровня, питающегося от шины (1 — отключено). Может быть установлен программно, обнуляется (и включается питание) по приему пакета Link_On;
    -----cmstr — признак мастера циклов. Может быть установлен только у корневого узла.
  • lost — потеря работоспособного состояния (по сбросу питания или фатальной ошибке;
  • dreq (disable request) — запрет генерации запросов транзакций;
  • atn, off — резервные биты в 1394;
  • elog — признак обновления информации в журнале ошибок;
  • state (RO) — состояние узла: 00 — рабочее (running), инициализация завершена; 01 — идет инициализация; 10 — тестирование (по запуску через запись в регистр Test_Start); 11 — фатальная ошибка (узел неработоспособен).

Регистр идентификатора узла NODE_IDS (см. следующий рисунок) содержит поля:

  • bus_id — идентификатор шины (по умолчанию 0), команда сброса на него не влияет; этот идентификатор записывается и считывается программно;
  • PHY_ID — идентификатор узла, устанавливаемый при автоконфигурировании;
  • Bus_dependent — поле, зарезервированное для нужд шины.

Регистр команды сброса Reset_Start (00Ch) служит для подачи команды сброса (операцией записи), при этом значим только бит nt (no test, бит 31), единица в котором отменяет начальное тестирование узла при сбросе.

Регистры тайм-аута расщепленных транзакций позволяют задать предельное время ожидания ответа на запрос транзакции в пределах 8 с с дискретностью 125 мкс. Начальное значение — 100 мс, по сбросу не изменяется. В младших трех битах SPLIT_TIMEOUT_HI (018h) содержится число секунд, в старших 13 битах SPLIT_TIMEOUT_LO (01Ch) содержится число 125-микросекундных интервалов.

Регистры тестирования (необязательные) служат для запуска теста (TEST_START, 028h), передачи параметров теста (ARGUMENT_HI, 020h, ARGUMENT_LO, 022h) и сообщения состояния выполнения (TEST_STATUS, 02Ch).

Регистры прерываний (необязательные) служат для управления прерываниями, вызываемыми транзакциями записи в регистр INTERRUPT_TARGET (050h). Каждый бит этого регистра соответствует одному из условий (событий) прерывания; самый старший бит соответствует прерыванию с самым высоким приоритетом. Регистр INTERRUPT_MASK позволяет селективно выбирать условия, вызывающие сигнализацию прерывания приложению (процессору) данного узла (единичное значение бита маски разрешает прерывание по данному условию). Прерывания по шине могут посылаться широковещательно (адресуясь к регистру INTERRUPT_TARGET при Dest_ID = 63) или направленно, с указанием в целевом адресе идентификатора требуемого узла.

Регистры синхронизации (Clock_Value, Clock_Tick_Period, Clock_Strobe_Arrived, Clock_Info) в IEEE 1394, как правило, не используются — их функции выполняет регистр CYCLE_TIME).

Регистры сообщений (необязательные) Message_Request, Message_Response служат для передачи и приема широковещательных сообщений, адресованных всем узлам шины или всем блокам узла.

Сервисы управления шиной. Запросы и подтверждения

Сервисы управления шиной

Прикладные драйверы на каждом узле предоставляют специальный интерфейс управления шиной (Bus Management Interface), который взаимодействует с «уровнем» управления последовательной шиной (Serial Bus Management Layer). Этот «уровень» проходит по всем этажам архитектуры. Он включает:

  • контроллер узла, управляющий уровнями PHY и LINK;
  • мастер циклов;
  • диспетчер изохронных ресурсов;
  • диспетчер шины.

Взаимодействие происходит через сервисы управления последовательной шиной (Serial Bus Management Services) при помощи:

  • запросов управления шиной — SB_CONTROL.request;
  • подтверждений запросов — SB_CONTROL.confirmation, сообщающих результаты их выполнения;
  • индикаторов событий шины, происходящих неожиданно для данного узла, — SB_EVENT.indication.

Запросы и подтверждения сервисов управления

Для функций управления и определения состояния предусмотрен ряд запросов, (SB_CONTROL.request), перечисленных ниже. На все запросы уровень управления отвечает подтверждениями (SB_CONTROL.confirmation), указывающими на успех или неудачу выполнения запроса. Сервисы управления включают следующие запросы:

  • сброс шины (Bus Reset) — указание своему PHY подать сигнал сброса и реинициализироваться самому; LINK и уровень транзакций отбрасывают все ожидающие транзакции и субакции;
  • инициализация узла — LINK и уровень транзакций данного узла отбрасывают все ожидающие транзакции и субакции и становятся готовыми к работе;
  • включение LINK-уровня заданного узла. Этот запрос предоставляет только диспетчер шины и диспетчер изохронных ресурсов;
  • конфигурирование физического уровня шины, предоставляют только диспетчер шины и диспетчер изохронных ресурсов:
         -----принудительное назначение роли корня (Set Root Force) — установка бита RHB в указанном узле и сброс во всех остальных;
         -----установка зазора арбитража (Set Gap Count);
         -----посылка расширенных пакетов физического конфигурирования — пробных пакетов ping, удаленного доступа к регистрам PHY, пакета resume;
  • Опрос состояния (Present Status), по которому в подтверждениях (SB_CONTROL confirmation) сообщается следующая информация:
         -----идентификатор корневого узла (3Fh — корневой узел не является мастером циклов);
         -----идентификатор (физический адрес) данного узла (0…3Eh);
         -----состояние бита RHB, обеспечивающего победу данному узлу в состязаниях на роль корня;
         -----текущее значение зазора арбитража (gap_cnt);
         -----идентификатор диспетчера шины (3Fh — нет диспетчера);
         -----идентификатор диспетчера изохронных ресурсов (3Fh — нет диспетчера);
         -----идентификатор мастера циклов (3Fh — нет мастера);
         -----значение, которое можно вычесть из содержимого регистра BANDWIDTH_ AVAILABLE при перераспределении полосы между изохронным и асинхронным трафиком.

Последние четыре параметра доступны только у узла, являющегося диспетчером шины или диспетчером изохронных ресурсов.

Яндекс.Метрика